Магнитный и ядерно-магнитный каротаж

Для изучения геологического разреза скважин и выделения в нем полезных ископаемых используются магнитные и ядерно- магнитные свойства горных пород.

Магнитный каротаж. Методы ГИС, основанные на изучении магнитных свойств пород, слагающих разрезы скважин, называют магнитным каротажем. Существуют две его модификации: каротаж по естественному магнитному полю и магнитной восприимчивости.

Каротаж по магнитному полю (скважинная магниторазведка) основан на изучении магнитных аномалий, связанных с магнитным полем Земли, которое в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности. Величина и направление этого вектора оп- ределяется тремя составляющими X, Y и Z, измерение которых может осуществляться с помощью трех взаимно перпендикулярных магни- точувствительных датчиков, расположенных соответственно вдоль оси скважины (измерение Z), в вертикальной плоскости, проходящей через ось скважины (измерение Х) и в горизонтальной плоскости (из- мерение Y). Каротаж по магнитному полю применяют для выявления намагниченных рудных тел в околоскважинном пространстве.

Каротаж магнитной восприимчивости пород основан на измере- нии этой величины и может осуществляться двумя разными спосо- бами: по изменению индуктивности соленоида и величине реактив- ной составляющей напряженности вторичного магнитного поля. Этот каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, их корреляции, выделения зон оруденения, определения содержания железа в магнетитовых рудах, получения данных при интерпретации аномалий магнитного поля, отмеченных при магни- торазведке.

Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК). ЯМК основан на том, что ядра ряда элементов (водорода, фтора, алюминия, углеводорода-13 и др.) обладают собственным механическим моментом (спином) и магнитным моментом, оси которых совпадают. При помещении таких ядер в постоянное внешнее магнитное поле Н их магнитные моменты стремятся ориентироваться в направлении вектора данного поля, что ведет к возникновению ядерной намагниченности.

При снятии внешнего магнитного поля из-за беспорядочного те- плового движения атомов и молекул вещества происходит разруше- ние приобретенной ядерной намагниченности. Если это происходит в присутствии остаточного магнитного поля, например поля Земли, ядра стремясь перемещаться вдоль этого поля, прецессируя вокруг него, подобно волчку, в поле силы тяжести, с частотой около 2 кГц (частотой Лармора), обусловленной напряженностью магнитного поля Земли (Н _з ≈ 40 А/м) и гиромагнитными свойствами ядер.

Частота прецессии (ларморова частота) пропорциональна ги- ромагнитному отношению γ_гир (отношению магнитного момента процессирующих ядер к их моменту количества движения – меха- ническому моменту) и напряженности магнитного поля.

Среди породообразующих элементов эффект ядерного магне- тизма наиболее сильно выражен у водорода, поскольку ядрам ато- мов водорода свойственно наибольшее значение гиромагнитного отношения. Благодаря этому их присутствие удается установить в условиях скважины. Ядерный магнетизм всех других элементов слишком мал, чтобы его можно было использовать для изучения разрезов скважины. При исследовании горных пород можно учи- тывать только ядерную намагниченность протонов.

ЯМК основан на регистрации эффектов свободной прецессии ядер водорода. Аппаратура ЯМК позволяет одновременно автомати- чески регистрировать две  или три каротажные кривые изменения с глубиной амплитуд сигнала свободной прецессии при фиксирован- ном времени t ₁, t ₂ и t ₃ и постоянных значениях t _пол и t _ост. По этим дан- ным оценивается (или непосредственно регистрируется при исполь- зовании счетно-решающего устройства) величина V ₀, приведенная к моменту выключения поляризующего тока (рис. 46).

Интерпретация диаграмм ЯМК заключается в определении ве- личин измеряемого сигнала свободной прецессии (ССП) и времени продольной релаксации Т ₁. Время поперечной релаксации Т ₂, будучи искажено неоднородностью поля Земли, для изучения разрезов сква- жин не используется. На основании интерпретации диаграмм ЯМК возможно решение следующих основных задач: выделение коллекто- ров и оценка их коллекторских свойств; оценка характера насыщения коллектора и перспективы получения нефти, газа или воды из пласта.

Рис. 46. Поведение вектора ядерной намагниченности (I) до поляризации (а), во время ее (б) и в начале свободной прецессии (в), а также схема процессов (II), возникающих при исследовании методом ЯМК

Аппаратура ЯМК эталонируется в единицах ИСФ (индекс сво- бодного флюида), и кривые ЯМК принято записывать в масштабе ИСФ (в % /cм). Однородные водородосодержащие пласты, мощно- сти которых равны длине зонда или превышают ее, отмечаются на кривых ЯМК симметричными максимумами, расположенными в сред- ней части пласта: границы пластов проводятся по середине наклонных линий. Если мощность пласта меньше длины зонда, то происхо- дит уменьшение ИСФ по сравнению с истинными величинами и рас- ширение максимума; определение границ тонких пластов по кривым ЯМК затрудняется. В качестве существенных (характерных) величин (ИСФ)х принимаются их средние значения. Для получения истинных значений (ИСФ)и по данным (ИСФ)х вводятся поправки за влияние скважины, глинистой корки, пространственной ориентации скважины

и др. Для этого пользуются специальными палетками. Определение характера насыщения пород по времени продольной релаксации Т ₁ производится в интервалах, охарактеризованных по кривой ИСФ как коллекторы с достаточной эффективной пористостью, содержащие свободную жидкость. Оценка времени продольной релаксации сво- дится к последовательному измерению амплитуды ССП для фиксиро- ванного значения времени измерения, но при изменяющихся от цикла к циклу значениях времени t _пол в сильном или t _ост в слабом поле.

На рис. 47 показан пример использования диаграмм ЯМК в ком- плексе с кривыми других методов ГИС для выделения коллекторов

Рис. 47. Выделение коллекторов по диаграмме ЯМК

(в варианте ССП) в терригенном разрезе:

1 – коллектор; 2 – неколлектор; 3 – глина. Кривые U 1, U 2, U 3 cоотвествуют временам t 1, t 2, t 3 после начала прецессии

и оценки их насыщенности. ЯМК предназначен для выделения пластов, содержащих подвижный флюид, определения их по- ристости и характера насыщения. Метод ЯМК используется также для разделения нефтеносных и битумизированных пород. Для битумизированных пород эти значения очень малы. Огра- ничения метода ЯМК связаны с невозможностью измерения ССП в среде (в глинистом растворе, в породе с повышенной магнитной восприимчивостью, в породах с малой эффективной пористостью (1,5–2 %), в том числе в трещинных коллекторах. ЯМК применим при исследовании разрезов скважин, не обса- женных колонной.